，，，，

（寧波電業(yè)局，浙江寧波351000）

基于RTDS的中壓母線弧光保護(hù)試驗(yàn)研究

丁北平，吳英俊，陳琳燦，林鈞，姚一軍

（寧波電業(yè)局，浙江寧波351000）

為實(shí)現(xiàn)中壓母線的快速保護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變電站運(yùn)行參數(shù)，用RTDS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)連接開(kāi)發(fā)的中壓母線快速弧光保護(hù)裝置，構(gòu)建了中壓母線電弧光保護(hù)實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)模型。通過(guò)設(shè)置不同類型的故障點(diǎn)模擬中壓母線的各類故障，錄波并分析保護(hù)的動(dòng)作行為，研究弧光保護(hù)作為中壓母線快速保護(hù)的可行性，并驗(yàn)證了其滿足保護(hù)選擇性與靈敏性的設(shè)計(jì)初衷。

中壓母線；弧光保護(hù)；選擇性；RTDS

在國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)中，中低壓母線目前沒(méi)有全面配置母線保護(hù)，母線故障均靠上一級(jí)保護(hù)裝置的后備保護(hù)來(lái)切除，如降壓變電站中利用主變壓器保護(hù)中復(fù)合電壓過(guò)電流來(lái)切除中低壓母線上的故障。為了和中低壓系統(tǒng)饋線保護(hù)在選擇性上的配合，往往帶著很大的延時(shí)，所以不能快速地切除中低壓母線上的故障，無(wú)論是對(duì)中低壓配電裝置本身還是對(duì)上一級(jí)設(shè)備造成的沖擊和損壞都很大，因此完全有必要采用一套快速保護(hù)來(lái)保證中低壓配電設(shè)備的可靠運(yùn)行。

RTDS是由加拿大曼巴托尼直流研究中心推出的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)。利用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)，建立繼電保護(hù)裝置數(shù)字動(dòng)模系統(tǒng)，開(kāi)展繼電保護(hù)裝置的數(shù)字動(dòng)模試驗(yàn)研究，可以全面考核繼電保護(hù)裝置在實(shí)際工況下的整體性能。為此，采用RTDS系統(tǒng)對(duì)中壓母線弧光保護(hù)進(jìn)行了動(dòng)模試驗(yàn)。

1 中壓母線弧光保護(hù)

1.1 傳統(tǒng)電壓母線保護(hù)的不足

（1）統(tǒng)計(jì)表明中壓開(kāi)關(guān)柜故障多數(shù)是由饋線路故障發(fā)展至母線故障，多發(fā)生在開(kāi)關(guān)柜的電纜室和開(kāi)關(guān)室，需要有選擇性的保護(hù)。

（2）開(kāi)關(guān)與TA（電流互感器）間是傳統(tǒng)保護(hù)的死區(qū)，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)大半空間位于此，要實(shí)現(xiàn)此處的保護(hù)要有除電氣量外其他信息量加入，而差動(dòng)保護(hù)方案將擴(kuò)大停電范圍。

（3）饋線電流保護(hù)閉鎖式母線保護(hù)，需更換原有饋線保護(hù)，且死區(qū)故障同差動(dòng)一樣會(huì)擴(kuò)大停電范圍。

（4）差動(dòng)保護(hù)的安裝需更換饋線TA，成本高施工困難。

1.2 電弧光的保護(hù)原理

引起開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障的原因很多[1-3]，主要有：絕緣故障、載流回路不良、外來(lái)物體的進(jìn)入、人為操作錯(cuò)誤、系統(tǒng)故障等。

弧光能加熱周圍的空氣，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)會(huì)發(fā)生空氣膨脹并產(chǎn)生巨大的壓力。弧光會(huì)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)燃燒，燃燒的氣體和熱量會(huì)爆散到周圍環(huán)境，弧光能融化和蒸發(fā)金屬。弧光短路直接的表現(xiàn)形式是起電弧燃燒。開(kāi)關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部弧光故障產(chǎn)生的短路功率可高達(dá)8～60 MW，電弧燃燒產(chǎn)生的巨大能量所造成的故障效應(yīng)包括壓力效應(yīng)、燃燒效應(yīng)（熱效應(yīng)）、輻射和聲響效應(yīng)，如不及時(shí)切除，將造成設(shè)備及整個(gè)變電站重大損失。

弧光保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)發(fā)出的弧光和電流突變量來(lái)判斷是否發(fā)生故障。在同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流突變時(shí)發(fā)出跳閘命令，只檢測(cè)到其中之一時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào)，其原理如圖1所示。

2 中壓母線弧光保護(hù)方案

2.1 中壓母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)方案

針對(duì)某終端變電站的雙端電源單母分段接線，提出了母線弧光保護(hù)接線及動(dòng)模方案見(jiàn)圖2。

該方案中構(gòu)成的組件包括主控單元、電流單元、弧光擴(kuò)展器、弧光單元、弧光傳感器等，各構(gòu)件主要功能及其輸入、輸出節(jié)點(diǎn)在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)闡述。試驗(yàn)中設(shè)置F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4等4個(gè)區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)，其中F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4為保護(hù)動(dòng)作邊界條件，觀察保護(hù)動(dòng)作行為及動(dòng)作時(shí)間。另設(shè)置F5與F6 2個(gè)區(qū)外故障點(diǎn)，試驗(yàn)保護(hù)的動(dòng)作狀況。

2.2 保護(hù)動(dòng)作邏輯

（1）10 kV進(jìn)線斷路器F1點(diǎn)瞬時(shí)性故障，包括相間短路、兩相接地、三相短路等（下同），電弧光保護(hù)系統(tǒng)探頭1發(fā)出弧光信號(hào)，進(jìn)線測(cè)得電流互感器過(guò)流，保護(hù)動(dòng)作條件滿足，跳B(niǎo)RK2；若保護(hù)動(dòng)作后故障未切除，失靈保護(hù)動(dòng)作，跳B(niǎo)RK1。

（2）10 kVⅠ母F2點(diǎn)瞬時(shí)性故障，保護(hù)動(dòng)作條件滿足，跳B(niǎo)RK2；若保護(hù)動(dòng)作后故障未切除，失靈保護(hù)動(dòng)作，跳B(niǎo)RK1。

（3）F3點(diǎn)瞬時(shí)性故障，探頭3發(fā)信號(hào)，母聯(lián)處弧光單元收到主變低壓側(cè)過(guò)流信號(hào)，弧光單元?jiǎng)幼魈鳥(niǎo)RK3。動(dòng)作后故障未切除，母聯(lián)弧光單元經(jīng)失靈延時(shí)1動(dòng)作，跳B(niǎo)RK2。保護(hù)動(dòng)作后故障仍未切除，母聯(lián)弧光單元經(jīng)失靈延時(shí)2動(dòng)作，跳B(niǎo)RK1。

（4）10 kV出線斷路器F4點(diǎn)瞬時(shí)性故障，探頭4發(fā)信號(hào)，出線弧光單元收到主變低壓側(cè)過(guò)流信號(hào)動(dòng)作跳B(niǎo)RK4。動(dòng)作后故障未切除，出線弧光單元經(jīng)失靈延時(shí)1動(dòng)作，跳B(niǎo)RK2。保護(hù)動(dòng)作后故障仍未切除，出線弧光單元經(jīng)失靈延時(shí)2動(dòng)作，跳B(niǎo)RK1。

（5）10 kV母聯(lián)斷路器合位，10 kVⅡ母線區(qū)外F5點(diǎn)瞬時(shí)性故障，無(wú)探頭信號(hào)，保護(hù)不動(dòng)作。

（6）10 kV出線區(qū)外F6點(diǎn)瞬時(shí)性故障，無(wú)探頭信號(hào)，保護(hù)不動(dòng)作。

3 RTDS建模與數(shù)據(jù)分析

3.1 RTDS建模

本次動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型：系統(tǒng)電壓115 kV，系統(tǒng)容量150 MVA；進(jìn)線變壓器為Yd11聯(lián)接，50 MVA，110/10.5 kV；系統(tǒng)負(fù)荷3 MW/0.3 Mvar；中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，故障點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

由于中壓母線2回進(jìn)線具有對(duì)稱性，本次集中在進(jìn)線1和Ⅰ母?jìng)?cè)進(jìn)行電弧光保護(hù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果亦可以推導(dǎo)到Ⅱ母?jìng)?cè)。試驗(yàn)時(shí)的運(yùn)行方式為變壓器1供電，母聯(lián)合位。當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，失靈保護(hù)動(dòng)作聯(lián)跳變壓器高壓側(cè)時(shí)間整定為0.3 s；出線及母聯(lián)失靈聯(lián)跳進(jìn)線斷路器時(shí)間整定為0.2 s。

3.2 數(shù)字動(dòng)模試驗(yàn)及分析

如前所述，中壓母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障包括F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4四個(gè)故障區(qū)域，其中F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4又分別為保護(hù)動(dòng)作的邊界條件。對(duì)于邊界條件F1又可以斷路器動(dòng)靜觸頭為界進(jìn)一步分為斷路器進(jìn)線變壓器側(cè)故障與斷路器母線側(cè)故障，F(xiàn)4故障可細(xì)分為斷路器母線側(cè)故障與斷路器出線側(cè)故障。對(duì)于F3按故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器與TA之間位置不同又可分為：故障發(fā)生在母聯(lián)TA前面；故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器和TA之間；故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器之后。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析如下：

（1）區(qū)內(nèi)F2處設(shè)置各類型故障，比如AB相間故障，得變壓器低壓側(cè)母線進(jìn)線處電壓和電流故障波形及斷路器跳閘信號(hào)見(jiàn)圖3，其中X1跳110 kV斷路器信號(hào)；X2跳10 kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)信號(hào)；X3主控單元跳母聯(lián)信號(hào)；X4弧光單元跳母聯(lián)信號(hào)；X5跳10 kV出線開(kāi)關(guān)信號(hào)；X6時(shí)間記錄參考信號(hào)，fltstart故障記錄起始信號(hào)；BRK1-110 kV斷路器跳閘信號(hào)；BRK2-10 kV進(jìn)線斷路器跳閘信號(hào)；BRKBB2-母聯(lián)斷路器跳閘信號(hào)；BRK4-10 kV出線斷路器跳閘信號(hào)。

同理可得F2處其他不同類型故障故障波形及跳閘信號(hào)，當(dāng)F2處發(fā)生各類型故障時(shí)，電弧光保護(hù)均瞬時(shí)發(fā)出進(jìn)線斷路器跳閘信號(hào)。

（2）F1處故障以斷路器上、下觸頭為界考察兩處故障，上觸頭端故障即BRK2變壓器側(cè)故障，波形及動(dòng)作時(shí)序見(jiàn)圖4。下觸頭端故障即BRK2母線側(cè)故障，波形及動(dòng)作時(shí)序與圖3相同。

由圖4可得，進(jìn)線斷路器處故障，探頭1發(fā)出弧光信號(hào)，同時(shí)進(jìn)線TA過(guò)流，弧光保護(hù)跳閘，跳開(kāi)進(jìn)線1斷路器，同時(shí)啟動(dòng)失靈信號(hào)，由于故障位于斷路器變壓器側(cè)，所以故障仍存在，弧光保護(hù)經(jīng)設(shè)定延時(shí)跳變壓器高壓側(cè)斷路器。F4處故障類似于F1處故障，對(duì)于進(jìn)線斷路器出線側(cè)故障，弧光保護(hù)跳饋線斷路器，母線故障保護(hù)動(dòng)作跳進(jìn)線斷路器。

（3）F3處考察發(fā)生在母聯(lián)TA前或位于母聯(lián)斷路器和TA之間2個(gè)位置的故障。母聯(lián)處探頭3發(fā)出信號(hào)，進(jìn)線處TA過(guò)流，母聯(lián)斷路器跳閘，同時(shí)啟動(dòng)失靈保護(hù)，由于進(jìn)線斷路器過(guò)流均存在，所以失靈保護(hù)跳進(jìn)線斷路器。當(dāng)母聯(lián)斷路器Ⅱ母?jìng)?cè)故障時(shí)，弧光保護(hù)跳母聯(lián)斷路器。

（4）當(dāng)F5與F6試驗(yàn)區(qū)外故障時(shí)，2處故障點(diǎn)均無(wú)弧光信號(hào)，結(jié)果在各種故障類型下，中壓母線弧光保護(hù)均未動(dòng)作。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中壓母線弧光保護(hù)建立RTDS實(shí)時(shí)模型，并與弧光保護(hù)裝置聯(lián)接構(gòu)成實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)各故障點(diǎn)模擬可知，中壓母線采用弧光保護(hù)可以避免中壓母線故障切除時(shí)間長(zhǎng)，事故影響范圍大，由此造成停電時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)工作量大等問(wèn)題。在當(dāng)前中壓母線缺少主保護(hù)、基于電信號(hào)的傳統(tǒng)保護(hù)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展要求的現(xiàn)狀下，母線弧光保護(hù)應(yīng)用前景廣闊。

[1]李從飛，陳凡，魯雅斌，等.DPR360ARC弧光保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38（12）:125-128.

[2]SVEN WOLFRAM，LAURI KUMPULAINEN，TONI HARJU.High Speed Protection Concept to Minimize the Impacts of Arc-Flash Incidents in Electrical Systems of Ships[M].

[3]LAURI KUMPULAINEN，SAMUEL DAHL.Minimizing hazard to personnel,damage to equipment,and process outages by optical arc-flash protection[M].

[4]張延鵬，振宏，宋卓然，等.基于RTDS母差保護(hù)裝置的數(shù)字動(dòng)模試驗(yàn)研究[J].東北電力技術(shù)，2007（10）:1-3.

[5]周巍，張沛超，楊星星，等.基于RTDS的微機(jī)保護(hù)實(shí)時(shí)閉環(huán)數(shù)字仿真系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（16）:127-130.

（本文編輯：楊勇）

美開(kāi)發(fā)出從海浪獲取能源的納米摩擦發(fā)電機(jī)

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種利用海浪發(fā)電的納米摩擦發(fā)電機(jī)。研究人員稱，這種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、廉價(jià)易用，可晝夜無(wú)休地持續(xù)工作。摩擦發(fā)電效應(yīng)是兩種材料接觸和分離產(chǎn)生電荷的一種現(xiàn)象，此前曾開(kāi)發(fā)出一種能為手機(jī)電池充電的固體摩擦發(fā)電機(jī)。而新研究面臨的問(wèn)題是，如何讓摩擦發(fā)電在潮濕如海水的環(huán)境中產(chǎn)生？

研究人員發(fā)現(xiàn)，摩擦發(fā)電現(xiàn)象并不限于固體之間，它同樣存在于液體環(huán)境當(dāng)中。唯一的要求是，兩種物質(zhì)特定的電子能水平足夠接近。對(duì)水而言，它所需要的僅僅是一個(gè)適合的“拍檔”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)一種特殊的塑料或能當(dāng)此重任。作為原型，研究人員制作了一個(gè)絕緣的塑料容器。這個(gè)容器有蓋和底，上面安裝了由銅片制成的電極。他們的系統(tǒng)之所以能夠成功，是因?yàn)槠渖w子內(nèi)部涂有一層納米級(jí)、微型金字塔狀的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。而容器中則裝滿了去離子水。當(dāng)蓋子下降時(shí)，這些微型金字塔就會(huì)與水發(fā)生接觸，一批聚二甲基硅氧烷原子就會(huì)被電離，從而產(chǎn)生負(fù)電荷；與此同時(shí)，水面上也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生正電荷。當(dāng)聚二甲基硅氧烷層離開(kāi)水送出電荷后就完成了一個(gè)完整的摩擦發(fā)電過(guò)程。其原理是利用了聚二甲基硅氧烷與水之間的電位差。選擇聚二甲基硅氧烷的原因，是其優(yōu)良的疏水性減少了水的附著，獨(dú)特的金字塔外形更易讓水脫落。當(dāng)置于海水中時(shí)，該裝置會(huì)隨著波浪，周期性地上升與下降，其中的電極與整流器和電容相連，產(chǎn)生的直流電能夠點(diǎn)亮60盞LED燈。研究人員稱，該裝置具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，由于對(duì)溫度敏感可將其作為一種溫度傳感器；如將其他傳感器附著在上面，它也能為生物分子傳感器和化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)提供更多的想象空間。

摘編自互聯(lián)網(wǎng)

Experimental Study on Arc-flash Protection of Medium Voltage Busbar Based on RTDS

DING Bei ping，WU Ying jun，CHEN Lin can，LIN Jun，YAO Yi jun
（Ningbo Electric Power Bureau，Ningbo Zhejiang 351000，China）

In order to realize the fast protection of MV（medium voltage）busbar,RTDS simulation test system is connected to the developed arc-flash protection device of MV busbar in accordance with operating parameters of field substation to establish the real-time closed-loop system for arc-flash protection of MV busbar.By setting different types of fault locations,various faults of MV busbar are simulated.The waves are recorded and action behavior of the protection is analyzed.The feasibility of arc-flash protection as fast protection of MV busbar is investigated，and the original intention of the design to meet the protection selectivity and sensitivity is verified.

MV busbar；arc-flash protection；selectivity；RTDS

TM773

：B

：1007-1881（2013）11-0073-04

2013-08-13

丁北平（1982-），男，山東青島人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)研究工作。